Главная Наша энциклопедия Что такое нержавеющая сталь

Что такое нержавеющая сталь

Наши статьи. Консультация (☎️ ) 8 (812) 322-99-21 "Ремстекло"

автор: Студия "Ремстекло"
175 просмотры

Что такое нержавеющая сталь?

Сталь – это сплав железа и углерода. Нержавеющие стали — это стали, содержащие не менее 10,5 % хрома, менее 1,2 % углерода и другие легирующие элементы. Коррозионная стойкость и механические свойства нержавеющей стали могут быть дополнительно улучшены путем добавления других элементов, таких как никель, молибден, титан, ниобий, марганец и т. д.

Реакция на контакт с воздухом, влагой или водой у нержавеющей стали отличаться стойкостью. При контакте с кислородом на поверхности материала образуется слой оксида хрома. Этот пассивный слой защищает его и обладает уникальной способностью восстанавливаться. Тем не менее пропорции легирующих элементов, отвечающих за коррозийную стойкость отличаются, в зависимости от марки стали, поэтому нержавеющая сталь тоже может ржаветь, хоть и медленно.

Краткая история нержавеющей стали

В 1913 году Гарри Брирли из Шеффилда, Великобритания, открыл «нержавеющую» сталь. Хотя было много предыдущих попыток других ученых и металлургов, Брирли приписывают изобретение первой настоящей нержавеющей стали с содержанием хрома 12,8%. Он добавил хром в расплавленное железо, чтобы получить металл, который не ржавеет. Хром является ключевым компонентом, так как обеспечивает устойчивость к коррозии. После этого открытия сам город Шеффилд стал синонимом стали и металлургии.

Брирли наткнулся на это открытие, пытаясь решить проблему эрозии внутренних поверхностей стволов орудий для британской армии в начале Первой мировой войны.

Гарри Брирли
Гарри Брирли (18 февраля 1871 г. - 14 июля 1948 г.) был английским металлургом, которому приписывают изобретение «нержавеющей стали»

После первоначального открытия дальнейшие улучшения нержавеющей стали происходили довольно быстрыми темпами. В 1919 году Элвуд Хейнс получил патент на мартенситную нержавеющую сталь, в 1929 году Уильям Дж. Кролл из Люксембурга первым открыл дисперсионно-твердеющую нержавеющую сталь, а в 1930 году дуплексная нержавеющая сталь была впервые произведена в Швеции на металлургическом заводе Авесты.

Является ли нержавеющая сталь металлом?

Нержавеющая сталь изготавливается из металлов и различных других элементов. Но это не металл как таковой, а сплав.

Металлом называют уникальные отдельные химические элементы, обладающими определенными свойствами. Чистые металлы часто бывают легкими, мягкими, легкоплавкими или наоборот очень тугоплавкими, некоторые легко окисляются на воздухе. Популярные металлы включают алюминий, медь и золото. Проще говоря, металл имеет определенное обозначение в периодической таблице элементов.

Металл
Металл и сплав - отличатся друг от друга

Между тем, сталь представляет собой сочетание или сплав железа с углеродом и другими элементами. Это смесь различных элементов, которые могут быть металлическими или неметаллическими. К этому классу относятся нержавеющая сталь, углеродистая сталь и другие сплавы. Поэтому, если говорить категорично, нержавеющая сталь не является металлом.

Эта путаница могла быть вызвана использованием слова «металл» для обозначения всего, что имеет характеристики металла. В большинстве случаев это просто вопрос контекста в обсуждении для понимания того, о чем идет речь. Тем не менее, изучение различия между сталью и металлом является познавательным.

Общие свойства нержавеющей стали

  • Механическая прочность. По сравнению с другими материалами нержавеющая сталь обладает прочными механическими свойствами при температуре окружающей среды. В частности, она сочетает в себе пластичность, эластичность и твердость, что позволяет использовать нержавейку в сложных режимах обработки металлов давлением (глубокая штамповка, плоская гибка, экструзия и т. д.), обеспечивая при этом стойкость к сильному износу (трению, истиранию, удару, эластичности и т. д.). Кроме того, нержавеющая сталь обеспечивает хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах.
  • Устойчивость к коррозии. При минимальном содержании хрома в районе 10,5% нержавеющая сталь постоянно защищена пассивным слоем оксида хрома, который естественным образом образует на поверхности оксидную пленку в результате реакции хрома с кислородом воздуха или воды. Если поверхность поцарапана, оксидная пленка восстанавливается. Эта особенность придает нержавеющим сталям их коррозионную стойкость. Но конкретная коррозийная стойкость варьирует, в зависимости от сорта нержавеющей стали, коррозия возможна и в этом материале, но гораздо ниже, чем в обычной стали.
  • Сопротивление огню. Нержавеющая сталь имеет наилучшую огнестойкость среди всех металлических материалов при использовании в конструкционных целях, имея критическую температуру выше 800°C. Нержавеющая сталь имеет высокий рейтиннг по огнестойкости без эмиссии токсичных паров.
  • Простота ухода. Изделия из нержавеющей стали легко чистятся, достаточно обычных чистящих средств (моющих средств, мыльных порошков), которые не повреждают поверхность. Нержавеющая сталь полностью отвечает требованиям декоративной и кухонной посуды, требующей частого и эффективного мытья.
  • Эстетика. Нержавеющая сталь имеет множество вариантов отделки поверхности, от матовой до блестящей, включая сатинированную и гравированную. Его можно тонировать, что делает нержавеющую сталь уникальным и эстетичным материалом. Она часто используется архитекторами для ограждающих конструкций зданий, дизайна интерьера и уличной мебели.
  • Экологичность. Нержавеющая сталь — это по преимуществу «зеленый материал», который можно многократно перерабатывать. В строительном секторе фактическая степень его восстановления близка к 100%. Нержавейка экологически нейтральна и инертена при контакте с такими элементами, как вода, не выделяет соединений, которые могут изменить их состав. Эти качества делают нержавеющую сталь идеально подходящей для строительных конструкций, подверженных неблагоприятным погодным условиям, таких как крыши, фасады, системы рекуперации дождевой воды и водопроводные трубы. Долговечность нержавеющей стали соответствует требованиям устойчивого строительства, а эффективный монтаж, установка и низкие эксплуатационные расходы гарантируют непревзойденный срок службы.
общие свойства стали
Свойства нержавеющей стали определяют широкое применение в разных сферах

Физические и механические свойства стали

Физические свойства сплава зависят от нескольких факторов, таких как процентное содержание отдельных компонентов и производственный процесс. Характеристики стали сильно отличались от характеристик ее основных компонентов: железа и углерода. Одной из основных особенностей является способность очень быстро остывать после того, как сталь подверглась воздействию высоких температур. Это тот случай, когда нержавеющая сталь вступает в контакт с водой или маслом.

Физические свойства для обычной нержавеющей стали
  • Плотность: 8000 кг/м³
  • Температура плавления: 1450°C
  • Температурный коэффициент линейного расширения: 17,3 x10-6 °С-1
  • Модуль упругости: 193 ГПа
  • Теплопроводность: 16,2 Вт/мК
  • Удельное электрическое сопротивление: 6.897*10-7 Ом·м
Механические свойства для обычной нержавеющей стали
  • Твердость по Бринелю, НВ тип – 170
  • Предел текучести, 0.2% – 205 МПа
  • Предел прочности (временное сопротивление разрыву) 520-720 МПа
  • Относительное удлинение % – 45
  • Усталостная прочность N/mm2 – 240
физические свойства нержавеющей стали
Разнообразие сортов нержавеющей стали наделяют их и разнообразием механических и физических свойств, что выражается широким спектром использования в разнообразных сферах

Марки стали классифицируются многими стандартными организациями на основе состава и физических свойств металла. Решающим фактором для марки стали в основном является ее химический состав и состояние поставки. Чем выше содержание углерода, тем тверже и прочнее металл стали. Высококачественная сталь, содержащая меньше углерода, более пластична.

Более ранние формы стали состояли из большего количества углерода по сравнению с современной сталью. Сегодня процесс производства стали таков, что добавляется меньше углерода, а металл немедленно охлаждается, чтобы сохранить желаемые физические свойства стали. Быстрое охлаждение (закалка) стали также изменяет структуру зерна. Существуют и другие виды стали, такие как оцинкованная сталь и нержавеющая сталь (коррозионностойкая сталь). Оцинкованная сталь покрывается цинком для защиты от коррозии, тогда как нержавеющая сталь содержит в своем составе около 10 процентов хрома.

  • Прочность на растяжение — это мера напряжения, необходимого для разрыва материала при растяжении. Это полезно для многих продуктов в течение их срока службы, но это особенно важно учитывать для некоторых производственных процессов, таких как гибка и прокатка. Прочность на растяжение нержавеющей стали превосходит алюминий, латунь и мягкую сталь.
  • Пластичность марок нержавеющей стали значительно различается. Пластичность — это мера способности материала подвергаться значительной пластической деформации. Материал с высокой пластичностью можно растолочь или вытянуть в проволоку или нить, претерпевая изменение формы без разрушения.
  • Прочность при высоких температурах. Нержавеющая сталь показывает лучшую огнестойкость, чем углеродистая сталь, благодаря высокому коэффициенту сохранения прочности при повышенных температурах (выше 500°C) наряду с лучшим коэффициентом сохранения жесткости, чем углеродистая сталь при температуре выше 300°C.
  • Повышенная скорость наклепа. Еще одно полезное свойство нержавеющей стали заключается в том, что ее можно отжигать (медленно нагревать и охлаждать) и подвергать холодной обработке, чтобы довести ее прочность до желаемого уровня. Это означает, что один и тот же сорт может иметь различную прочность для использования в различных областях.
  • Криогенная стойкость. Некоторые марки нержавеющей стали остаются стабильными в широком диапазоне температур. Аустенитные стали демонстрируют исключительную вязкость и повышенную прочность на растяжение при отрицательных температурах. С другой стороны, ферритные и мартенситные марки не так хороши при криогенных температурах, их ударная вязкость падает при понижении температуры.

Химические свойства нержавеющей стали

Химические свойства нержавеющей стали отличают ее от других металлов, перечислим некоторые самые актуальные из них.

  • Высокая стойкость к окислению. Коррозионная стойкость является результатом содержания хрома в нержавеющей стали, в некоторых сортах оно достигает 26%. Хром образует тонкий прозрачный слой на поверхности нержавеющей стали. При активации кислородом в воздухе или воде этот слой «заживает» легкие повреждения поверхности.
  • Биологически инертность. Другим важным свойством нержавеющей стали является то, что она биологически инертна. Вот почему одним из первых его применений было производство столовых приборов, производство и приготовление пищи, медицинского оборудования, от больничной мебели до хирургических булавок и пластин.
  • Стойкость к кислотам, основаниям и органическим материалам. Нержавеющая сталь устойчива к широкому спектру соединений, включая кислоты, органические соединения, соли, соединения серы и хлорида, что делает ее полезной в химической промышленности для хранения, обработки и обработки.

Основные семейства нержавеющей стали

Нержавеющая сталь имеет множество различных вариантов легирования, и различная металлургия каждого сплава приводит к появлению разных семейств нержавеющей стали и разных марок в этих семействах. Существует 5 основных семейств нержавеющей стали:

  • Аустенитная нержавеющая сталь. Наиболее часто используемые аустенитные нержавеющие стали известны своей исключительной стойкостью к нагреву и коррозии.
  • Мартенситная нержавеющая сталь. В отличие от аустенитной, мартенситная нержавеющая сталь может быть закалена при нагревании. Эти обработки делают мартенситную сталь прочнее, чем другие типы.
  • Ферритная нержавеющая сталь. Ферритная сталь, содержащая более 12% хрома, практически не упрочняется при термической обработке и лишь слегка упрочняется при холодной прокатке.
  • Нержавеющая сталь дисперсионного твердения (марки PH Steel). Сплавы PH из нержавеющей стали содержат небольшие добавки меди, алюминия, фосфора или титана. После изготовления детали из этих сплавов ее подвергают дисперсионной обработке, при которой эти элементы выделяются в виде твердых интерметаллических соединений, значительно повышающих твердость и прочность.
  • Дуплексная нержавеющая сталь. Тип нержавеющей стали называется «дуплекс», потому что эти сплавы имеют двухфазную микроструктуру, состоящую из зерен ферритной и аустенитной нержавеющей стали.

Химический состав

Нержавеющая сталь отличается от других стальных сплавов минимальным содержанием хрома, не менее 10,5 % и низким содержанием углерода. Чтобы было понятней, вот примеры:

  • Сталь (Железо (Fe) + углерод (C)). Все стали представляют собой сплавы железа (Fe) и углерода (C) с добавлением других легирующих элементов. Существует 4 основных типа стали (углеродистая сталь, легированная сталь, нержавеющая сталь и инструментальная сталь), каждая из которых имеет несколько уникальных комбинаций легирующих элементов.
  • Нержавеющая сталь (Железо (Fe) + ≤1,2% углерода (C) + ≥10,5% хрома (Cr)). Нержавеющие стали изготавливаются на основе железа (Fe) с добавлением минимального количества углерода (C) и максимального количества добавления хрома. Существует более 150 различных нержавеющих сталей с уникальными комбинациями легирующих элементов.
  • Нержавеющая сталь ГОСТ 12Х18Н9 (Железо (Fe) + ≤0,08% углерода (C) + ≥18% хрома (Cr) + ≥8% никеля (Ni)). Нержавеющая сталь марки ГОСТ 12Х18Н9 (AISI 304) считается лучшей и наиболее распространенной нержавеющей сталью в мире и приобретает свои уникальные свойства благодаря заметным концентрациям хрома (Cr) и никеля (Ni).
химический состав нержавеющей стали
Пропорции и добавки легированных элементов придают то самое разнообразие свойств сортов нержавеющей стали

Основные легирующие элементы

Нержавеющие стали содержат ряд легирующих элементов в зависимости от марки и состава. Ниже перечислены легирующие добавки с указанием причины их присутствия.

  • Углерод (C): железо сплавляется с углеродом для изготовления стали и увеличивает твердость и прочность железа. Чистое железо не может быть закалено или упрочнено термической обработкой, но добавление углерода обеспечивает широкий диапазон твердости и прочности. В аустенитных и ферритных нержавеющих сталях нежелательно высокое содержание углерода, особенно при сварке.
  • Марганец (Mn): марганец добавляется в сталь для улучшения свойств горячей обработки и повышения прочности, ударной вязкости и прокаливаемости. Марганец, как и никель, является элементом, образующим аустенит и используется в качестве заменителя никеля в аустенитных нержавеющих сталях серии AISI200, например, AISI 202 вместо AISI 304.
  • Хром (Cr): хром добавляется в сталь для увеличения устойчивость к окислению. Это сопротивление увеличивается по мере добавления хрома. «Нержавеющие стали содержат минимум 10,5% хрома (традиционно 11 или 12%). Это дает очень заметную степень общей коррозионной стойкости по сравнению со сталями с более низким процентным содержанием хрома. Коррозионная стойкость обусловлена образованием самовосстанавливающегося пассивного слоя оксида хрома на поверхности нержавеющей стали.
  • Никель (Ni): никель добавляется в больших количествах, более 8%, в нержавеющие стали с высоким содержанием хрома для образования наиболее важного класса коррозионностойких и жаропрочных сталей. Это аустенитные нержавеющие стали, типичным примером которых является 18-8 (304/1.4301), в которых склонность никеля к образованию аустенита отвечает за большую ударную вязкость и высокую прочность как при высоких, так и при низких температурах. Никель также значительно повышает устойчивость к окислению и коррозии.
  • Молибден (Mo): молибден при добавлении в хромоникелевые аустенитные стали повышает устойчивость к точечной и щелевой коррозии, особенно в средах, содержащих хлориды и серу.
  • Азот (N): азот увеличивает стабильность аустенита в нержавеющих сталях и, как и в случае с никелем, является элементом, образующим аустенит. Предел текучести значительно повышается при добавлении азота в нержавеющие стали, как и устойчивость к точечной коррозии.
  • Медь (Cu): медь обычно присутствует в нержавеющей стали в качестве остаточного элемента. Однако его добавляют в некоторые сплавы для придания им свойств дисперсионного твердения или для повышения коррозионной стойкости, особенно в среде морской воды и серной кислоты.
  • Титан (Ti): титан добавляется для стабилизации углерода, особенно при сварке материала. Он соединяется с углеродом с образованием карбидов титана, которые достаточно стабильны и плохо растворяются в стали, что сводит к минимуму возникновение межкристаллитной коррозии. Добавление примерно 0,25/0,60% титана вызывает соединение углерода с титаном, а не с хромом, предотвращая связывание устойчивого к коррозии хрома в виде межкристаллитных карбидов и сопутствующую потерю коррозионной стойкости на границах зерен. Однако в последние годы использование титана постепенно сокращается из-за способности производителей стали поставлять нержавеющие стали с очень низким содержанием углерода, которые легко свариваются без стабилизации.
  • Фосфор (P): фосфор обычно добавляют с серой для улучшения обрабатываемости. Фосфор, присутствующий в аустенитных нержавеющих сталях, увеличивает прочность. Однако он пагубно влияет на коррозионную стойкость и повышает склонность материала к растрескиванию при сварке.
  • Сера (S): при добавлении в небольших количествах сера улучшает обрабатываемость. Однако, как и фосфор, он отрицательно влияет на коррозионную стойкость и свариваемость.
  • Селен (Se): селен ранее использовался в качестве добавки для улучшения обрабатываемости.
  • Ниобий (Nb): ниобий добавляется в сталь для стабилизации углерода, и поэтому действует так же, как и титан. Ниобий обладает эффектом упрочнения сталей и сплавов для работы при высоких температурах.
  • SiIicon (Si): кремний используется в качестве раскислителя при плавке стали, поэтому большинство сталей содержат небольшой процент кремния.
  • Кобальт (Co): кобальт становится высокорадиоактивным при воздействии интенсивного излучения ядерных реакторов, и в результате любая нержавеющая сталь, используемая в ядерной сфере, будет иметь ограничение содержания кобальта, обычно не более 0,2%. Эта проблема особенно актуальна, поскольку в никеле, используемом при производстве аустенитных нержавеющих сталей, обычно присутствует остаточное содержание кобальта.
  • Кальций (Ca): небольшие добавки используются для улучшения обрабатываемости без отрицательного влияния серы, фосфора и селена на других элементов.

Основные области применения нержавеющей стали

Все эти характеристики делают сталь востребованным материалом в разных сферах деятельности. Вот несколько ключевых направлений:

  • Пищевая промышленность. Нержавеющая сталь обычно используется в качестве кухонных принадлежностей, столовых приборов и посуды. От лезвий ножей с острыми краями до литых металлических форм, таких как плиты, грили, раковины и кастрюли — присутствие нержавеющей стали необходимо. Она также используется в качестве отделки для холодильников, столешниц и посудомоечных машин.
  • Морские технологии. В морской технике нержавеющая сталь в основном используется в трубопроводах. Она используются для транспортировки углеводородов, нефтепродуктов. Нержавеющая сталь часто является лучшим выбором для морских систем, учитывая устойчивость некоторых сортов к коррозионному воздействию морской воды.
  • Установки опреснения морской воды. Отличные механические свойства нержавеющей стали делают ее важным материалом для установок обратного осмоса морской воды (SWRO).
  • Химическая промышленность. Химические заводы подвергают металлы и оборудование воздействию чрезвычайно суровых условий. Нержавеющая сталь предлагает лучшее решение для противостояния элементам коррозии.
  • Мосты и мостовые конструкции. Дуплексные нержавеющие стали, новейшее семейство сплавов нержавеющей стали, становятся все более популярными в мостах и других инженерных конструкциях, поскольку эти стали обычно в два раза прочнее ферритных сплавов. Из-за их повышенной прочности требуется меньше материала, что делает их более экономичными и легкими.
  • Резервуары для хранения. Резервуары из нержавеющей стали регулярно используются для хранения агрессивных веществ, таких как химикаты, газы и многие другие сыпучие материалы, включая продукты питания и воду. Оно не придает никакого вкуса или запаха еде и воде, что является еще одним преимуществом.
  • Медицинская промышленность. Сплавляя нержавеющую сталь с хромом, никелем и молибденом, хирург получает некоторые важные качества своих материалов для своих инструментов. Хром — повышает устойчивость оборудования к царапинам и коррозии — необходим для очистки и стерилизации. Никель обеспечивает гладкую, полируемую поверхность, что очень необходимо для качества инструмента. Молибден – обеспечивает твердость после формовки, таким образом используется в режущих кромках, таких как скальпели.
  • Гражданское строительство. Нержавеющая сталь обладает теми же желаемыми свойствами, что и обычная сталь, но устраняет такие недостатки, как коррозия. В результате нержавеющая сталь становится все более популярной в качестве строительного материала.
  • Электростанции. Для электростанции требуются материалы, выдерживающие высокие температуры и экстремальное давление. Вот почему нержавеющая сталь является очевидным выбором для изготовления теплообменников, баков реакторов, напорных труб, кожухов трансформаторов и многого другого.
  • Судостроительная промышленность. Дуплексная нержавеющая сталь используется для изготовления грузовых танкеров, а аустенитная сталь используется для танкеров внутреннего плавания. Дуплексная нержавеющая сталь все чаще используется в судостроении благодаря ее механической эффективности.
  • Автомобилестроение и транспорт. С тех пор, как Ford в 1930-х годах представил нержавеющую сталь в автомобильной промышленности, она использовалась для производства самых разных деталей, включая выхлопные трубы, решетки и отделку салона. В последние годы использование также распространилось в производстве конструкционных компонентов.
  • Бытовая техника и потребительские товары. Используется для изготовления корпусов и важных механических частей многих известных бытовых приборов — холодильники, стиральные машины, посудомойки, соковыжималки и другие.
нержавеющая сталь
Сферы применения нержавеющей стали весьма обширны

Заключение

Свойства нержавеющей стали обеспечивают все преимущества низкоуглеродистой стали наряду с некоторыми своими собственными. В первую очередь коррозионная стойкость, устойчивость к жестким условиям и более длительный срок службы, чем у многих сопоставимых металлов. Благодаря выбору сортов нержавеющей стали с различными свойствами всегда найдутся варианты, подходящие для любого применения.

Тем не менее даже нержавеющие стали могут подвергаться коррозии. Во-первых, от конкретной марки зависит устойчивость к коррозии. При этом аномальные окружающие условия, такие как низкий уровень кислорода, плохая циркуляция воздуха и высокая соленость в зоне моря или океана могут привести некоторые сорта нержавеющей стали к сильной коррозии.

Несмотря на вышеперечисленные риски, нержавеющая сталь является удивительным материалом и оказывает положительное влияние на отрасль в целом. Благодаря большому количеству марок с различными свойствами всегда найдется марка, идеально подходящая для конкретного применения. Очень важно выбрать сорт с умом, чтобы обеспечить рентабельность инвестиций.

Оставить комментарий

Вам также может понравиться

Ремстекло